W jakim kierunku podążają serwonapędy?
Adobe Stock – lapis2380Automatyka przemysłowa i robotyka są tymi obszarami, w których coraz częściej technologia napędowa opiera się na serwonapędach, a dokładniej – na serwomechanizmach. Rozwiązanie to zapewnia użytkownikom liczne korzyści, a wprowadzane udoskonalenia pozwalają zdobywać nowe obszary, dotychczas zarezerwowane dla innych rodzajów technologii napędowych.
- Czym jest serwonapęd/serwomechanizm?
- Najczęściej stosowane silniki w serwonapędach
- Przedsiębiorcy stawiają coraz większe wymagania przed serwomechanizmami
- Miniaturyzacja i łatwość integracji najważniejszymi trendami rozwoju w obszarze serwonapędów
Serwonapęd jest rodzajem układu wykonawczego, który pracuje w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego i pozwala na pozycjonowanie osi (motoru) według wybranych parametrów ruchu (obrotowego, rzadziej liniowego), takich jak prędkość, przyspieszenie, pozycja czy moment obrotowy. Serwomechanizmy stosowane są w różnych aplikacjach automatyki przemysłowej, głównie tam, gdzie wymagane jest bardzo precyzyjne przemieszczanie z zatrzymaniem w dokładnie określonej pozycji bądź występuje duża dynamika wykonywanych ruchów i niezbędna jest błyskawiczna reakcja na zmiany prędkości bądź obciążenia. Dlatego też serwonapędy znajdziemy np. w robotach przemysłowych, maszynach ze sterowaniem CNC, wtryskarkach czy wszelkich urządzeniach wykorzystywanych w procesach przenoszenia i układania ładunków.
W skład serwonapędów wchodzą sterownik, wzmacniacz sygnału i silnik wraz z enkoderem, który stanowi element sprzężenia zwrotnego. To właśnie dzięki sprzężeniu zwrotnemu, po otrzymaniu informacji na temat aktualnej pozycji czy prędkości obrotowej, sterownik może wprowadzić niezbędną korektę, żeby zapewnić właściwą pozycję, prędkość, moment obrotowy czy wartość przyspieszenia.
Serwosilnik
Choć wszystkie elementy serwomechanizmu są ważne dla jego właściwej pracy, w ostatnich latach można zaobserwować istotny postęp w wykorzystywanych serwosilnikach. Generalnie w serwomechanizmach można znaleźć różne typy silników. Do najczęściej stosowanych należą bezszczotkowe silniki synchroniczne prądu przemiennego z magnesami trwałymi na wirniku. Charakteryzują się one wysoką sprawnością, niezłą dynamiką i szybką reakcją na polecenia wydawane przez układ sterowania.
Rzadziej spotykanym rozwiązaniem są serwonapędy z bezszczotkowym silnikiem prądu stałego lub szczotkowym silnikiem DC, które są zalecane głównie do zastosowań wymagających dużej precyzji pozycjonowania. Z kolei napędy serwokrokowe stosuje się tam, gdzie niezbędne są wysoki moment obrotowy i precyzja, ale prędkości obrotowe są stosunkowo niewielkie. Ciekawą alternatywą są także serwonapędy hybrydowe, które stanowią połączenie silnika krokowego z enkoderem, dzięki czemu taki układ zapewnia odpowiednią kontrolę nad pozycją bez utraty kroków. Stosunkowo nowym rozwiązaniem w obszarze serwomechanizmów są serwonapędy zintegrowane. Wyróżniają się one tym, że ich sterownik znajduje się bezpośrednio na silniku. Takie rozwiązanie upraszcza całą konstrukcję (mniej skomplikowana instalacja i okablowanie), co ułatwia montaż, zmniejsza wymiary, a także przekłada się na większą odporność na zakłócenia.
Serwonapędy – najważniejsze wymagania
Z każdym rokiem coraz bardziej zauważalny jest wzrost popularności serwonapędów, które stają się często nieodzownym elementem układów sterowania wielu maszyn i urządzeń przemysłowych. Coraz częściej pojawiają się one w takich aplikacjach przemysłowych, w których jeszcze jakiś czas temu wystarczył np. silnik z falownikiem. Powodem tej zmiany jest przede wszystkim rozwój automatyki przemysłowej i rosnąca presja na wzrost wydajności. Dlatego też obecnie technika napędowa musi charakteryzować się dużymi prędkościami przy zachowaniu wysokiej precyzji pracy. Takie wymagania zapewnią najszybciej właśnie serwomechanizmy.
Jednocześnie stale rosną wymagania ze strony przedsiębiorców, którzy chcieliby, żeby serwonapędy były jeszcze szybsze, jeszcze bardziej precyzyjne, a przy tym, aby ich cena była stosunkowo niska. Wśród często pojawiających się wymagań znajdziemy także oczekiwania co do większej stabilności pracy układów serwo. Zdarzają się bowiem problemy związane z niepożądanymi ruchami wału silnika np. podczas pracy z niewielkimi prędkościami.
Kompaktowe i łatwe w uruchomieniu serwonapędy
Choć absolutnie nie ma mowy o żadnych rewolucyjnych zmianach, to w obszarze serwomechanizmów stale mamy do czynienia z ewolucją i to na wielu płaszczyznach. Pojawiają się np. usprawnienia w konstrukcji stosowanych podzespołów, wykorzystywane są nowe rodzaje serwosilników, serwosterowniki korzystają z szerokiej oferty sieci przemysłowych i interfejsów komunikacyjnych (co zapewnia szybszą wymianę informacji z jednostką sterującą), a enkodery stają się jeszcze dokładniejsze (rozdzielczość 24 bitów, ponad 15 mln impulsów na jeden obrót).
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Jednym z istotnych trendów w rozwoju serwonapędów jest ich miniaturyzacja, podobnie zresztą jak w wielu innych obszarach związanych z przemysłem. Współczesne serwonapędy są coraz bardziej kompaktowe i z pewnością proces ten będzie jeszcze trwał przez najbliższe lata. Dzięki temu serwonapędy wchodzą na coraz to nowe pola, na których jeszcze dekadę temu nikt ich się nie spodziewał, m.in. ze względu na małą ilość miejsca.
Dla zminiaturyzowanych układów serwo jest już dziś szeroki zakres zastosowań, np. w robotyce czy automatyce przemysłowej, ale też w branży medycznej. Świetnym przykładem są właśnie roboty przemysłowe, zwłaszcza mniejsze coboty, i rosnące zapotrzebowanie na napędy o stosunkowo niewielkich wymiarach, ale za to o dużej mocy. Jednak potencjalnych aplikacji, które będą korzystać z małych silników o wysokim momencie obrotowym jest znacznie więcej.
Kolejnym ważnym trendem jest dążenie do zwiększania łatwości montażu i uruchamiania serwonapędów w różnych aplikacjach. Współczesne serwa coraz częściej oparte są bowiem na zasadzie plug & play (tj. na wcisk, bez konieczności dokręcania). Takie rozwiązanie nie wymaga czasochłonnego strojenia i pozwala na szybkie wdrożenie nowego urządzania do pracy. Zapewnia sprawną komunikację z otoczeniem, co jest szczególnie istotne wraz z rozwojem koncepcji Internetu rzeczy. Dla przedsiębiorcy sprawne i bezproblemowe podłączenie oraz uruchomienie serwomechanizmu oznacza realne oszczędności czasu i pieniędzy.
Wspomniany Internet Rzeczy będzie wymuszał zwiększoną adaptację nowoczesnych technologii także w silnikach i całych układach napędowych. Jednocześnie można oczekiwać rosnącego zapotrzebowania na regulowane inteligentne szybkie napędy, a także na niestandardowe silniki w serwomechanizmach. Z jednej strony przedsiębiorcy zaczynają odchodzić od silników krokowych ze sterowaniem do serwonapędów, które zapewniają lepszą dynamikę i dokładność pozycjonowania. Jednak z drugiej – pojawiają się na rynku wspomniane wyżej serwomechanizmy, w których rolę serwosilnika pełni silnik krokowy. Z pewnością coraz ważniejsza będzie także kwestia efektywności energetycznej, dlatego też na popularności będą zyskiwać najbardziej nowatorskie rozwiązania o najmniejszym zapotrzebowaniu na energię elektryczną.
Inteligentne serwonapędy z kolei coraz częściej będą wykonywać różne zadania bez udziału człowieka. I choć obecnie tego typu rozwiązania są droższe niż standardowe serwonapędy, to można oczekiwać, że
szybki rozwój technologiczny przyczyni się także do redukcji ich kosztów wytwarzania – a tym samym do zmniejszenia końcowej ceny produktu.
Dalszy rozwój serwotechnologii wydaje się nieunikniony. Liczne korzyści, jakie ta technologia zapewnia, a także możliwość wykorzystania w wielu różnorodnych aplikacjach sprawią, że automatyka przemysłowa będzie w najbliższej przyszłości w coraz większym stopniu oparta właśnie na serwomechanizmach.
O Autorze
